【技術(shù)筆記】用于測量極低電阻的簡單比率技術(shù)-KIA MOS管

也許極低阻值的電阻器（即mΩ級及以下）最常見的應(yīng)用是電流控制電路，因為其低阻值可降低功率損耗。對于這類應(yīng)用，大約10%-20%的容差就足夠了。但即使在這樣的容差下，精確測量非常低的電阻值也相當困難，尤其是在涉及大電流時。

圖1所示的電路通過向未知電阻器和已知阻值的參考電阻器施加低占空比脈沖，提供了解決該問題的方法。比率技術(shù)用于比較兩個元件的響應(yīng)并確定被測電阻器的值。

圖1：以上電路通過向未知電阻器和已知阻值的參考電阻器施加低占空比脈沖，實現(xiàn)了極低電阻值的精確測量。

計算精確電阻值所需的測量值可使用普通示波器或脈沖峰值電壓表（可提供更高精度）從輸出V1和V2獲得。

該電路使用古老的555定時器，在無穩(wěn)態(tài)模式下運行，從而產(chǎn)生用于對低電感電容器C2進行充電和放電的脈沖。在放電周期，電流會通過精密的標準電阻器（R6）和被測電阻（Rx）。

電阻值可由相應(yīng)電壓的比值來計算：

V1/V2=(Rx+R6)/R6=Rx/R6+1，

其中，V1和V2是峰值。

因此，未知值為：

Rx=(V1/V2–1)·R6

示波器/電壓表的帶寬應(yīng)該足夠大，以便捕捉電路產(chǎn)生的短脈沖。由于555振蕩器的半周期與脈沖持續(xù)時間的比率非常大，一些示波器就無法確保足夠的亮度。該電路還可用于驅(qū)動其他需要大振幅、低持續(xù)時間電流脈沖的低電阻負載，例如半導(dǎo)體激光器。

測試電路細節(jié)

同步脈沖（U1，引腳3）有助于示波器的早期同步；由于某些示波器的Y通道中可能沒有延遲線，從而無法顯示非常陡峭的前沿，因此同步脈沖和輸出脈沖之間的延遲可能會使示波器捕捉到脈沖的前沿。

該延遲由時間常數(shù)R3·C3決定。C3的值可能在20~500pF（甚至更大）的范圍內(nèi)，具體取決于所使用的時基和示波器本身。

MOSFET驅(qū)動器U2（TC4422A）用于確保Q1的大柵極充電電流和快速導(dǎo)通時間，這對于準確測量至關(guān)重要。

MOSFET（Q1）的RDSOn要非常低（低于3Ω），以便確保干凈的大振幅脈沖。快速二極管D2用于限制Q1的過壓。

注意：這部分電路中所出現(xiàn)的大電流，需要特別注意元器件選擇和PCB版圖設(shè)計。有關(guān)詳細信息，請參閱下面的元器件選擇說明和設(shè)計說明兩個部分。

該電路短而強大的電流脈沖還會在頻域中產(chǎn)生廣譜響應(yīng)。因此，必須特別注意盡量減少寄生電感和電容負載，否則電路將顯示高水平的電抗，并在版圖的各個部分產(chǎn)生振蕩。需要了解的有關(guān)如何將這些不期望的寄生效應(yīng)降至最低的實用細節(jié)，在本文的設(shè)計說明部分有所記錄。

元器件選擇說明

強烈推薦為電路選用SMD元件。一些電容器，即使是基于薄膜的結(jié)構(gòu)，當受到尖銳的大電流脈沖（類似于C2所暴露的那些脈沖）時，它們的介電層也會經(jīng)歷壓電運動。有時甚至可以從此類電容器中聽到非常明顯的“滴答聲”，這說明壓電效應(yīng)造成了高水平的損耗。在這種情況下，可以將“滴答”聲較小的元件視為更好的元件。

本例中將來自TT Electronics的0.005Ω（5mΩ）、1%容差LOB-3精密電阻用作標準電阻（R6）。

由于電路采用比例測量技術(shù)，大多數(shù)元件的容差不是很關(guān)鍵，但應(yīng)特別注意它們的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)風格。例如，電容器C2的值并不重要，但它應(yīng)該足夠大以提供足夠長的電流脈沖，從而讓示波器或電壓表很容易注意到。

該電容器應(yīng)使用具有低內(nèi)阻/低電感的疊層箔膜或陶瓷等構(gòu)造技術(shù)。應(yīng)該避免使用多種類型的電容器，尤其是陶瓷電容器，如果它們的電容值取決于所施加的電壓。如有必要，可通過并聯(lián)多個電容器產(chǎn)生所需的值。

對于MOSFET，具有極低RDSon的兩個很好的例子是TI的CSD16321Q5和IR的IRLx8743。然而，此類器件通常具有相對較低的漏源和柵源擊穿電壓（CSD16321Q5僅為8V）——這是進行任何修改時都應(yīng)考慮的潛在弱點。

另一個潛在限制是MOSFET的最大漏極電流。這兩個參數(shù)都會影響測試電路的測量下限。為了降低寄生振蕩的水平，電阻器R6和電容器C4應(yīng)具有非常低的電感——元件本身及其所連接的PCB走線。

設(shè)計說明

R6和C4周圍的PCB走線必須保持較短并且鋪開，從而最大限度地減少寄生電抗——寄生電抗會因電流脈沖的激勵而產(chǎn)生局部諧振。如果電路版圖設(shè)計不符合此要求，那么就很容易超過MOSFETQ1的絕對最大額定電壓。

例如，對于6nF的容性負載（柵極電容），驅(qū)動器TC4422A的輸出上升/下降時間可能小于25ns；這種情況加上通過電感的大電流（約100A），就會產(chǎn)生幾乎可損壞任何MOSFET的電壓。

請參閱原理圖，查看以粗體突出顯示的走線——這些走線必須要足夠?qū)挘瑥亩艹休d大電流，并且要盡可能短，從而最小化寄生電感。這對于將柵極連接到驅(qū)動器（U2，引腳6到Q1的基極）的走線尤其重要，該走線應(yīng)保持在小于1英寸的數(shù)值。該走線上的鐵氧體磁珠（B）有助于抑制不期望的振蕩。

出于同樣的原因，電阻Rx和R6的連接應(yīng)盡可能接近相同的長度。它們還應(yīng)盡可能短，從而最大限度地減少電感和電壓降。電路的所有外部連接都應(yīng)使用基本的高頻實踐進行設(shè)計。例如，必須使用兩端具有良好阻抗匹配的50Ω同軸電纜。

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